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      壁掛式整體熱泵熱水器降噪方法研究與應用

      2020-06-05 05:29:08李文明
      家電科技 2020年3期
      關鍵詞:壁掛配管風道

      李文明

      艾歐史密斯(中國)熱水器有限公司 江蘇南京 210038

      1 引言

      家用整體熱泵熱水器一般有壁掛式、落地式兩種形式,落地式整體熱泵熱水器,容積一般在120L以上,體積和功率較大,通常放在室外或設備間里,運行噪聲對人的直接影響不大。壁掛式整體熱泵熱水器,以下簡稱壁掛熱泵熱水器,容積在50L~100L,體積和功率小,熱泵單元與儲水箱單元一體設計,結(jié)構(gòu)緊湊、機器外形與普通電熱水器基本相同,安裝位置和方式也與普通電熱水器一樣,通常是在衛(wèi)生間壁掛安裝。壁掛熱泵熱水器是利用空氣能轉(zhuǎn)換為熱能的原理,加熱相同體積熱水所需消耗的電能比普通電熱水器節(jié)約一半以上電能。壁掛熱泵熱水器比普通電熱水器節(jié)能環(huán)保,被越來越多的家庭選擇使用。然而壁掛熱泵熱水器運行噪聲直接在室內(nèi)傳播,對人們?nèi)粘I町a(chǎn)生一定的影響,用戶經(jīng)常抱怨,噪聲問題逐漸成為消費者的痛點之一。如何降低壁掛熱泵熱水器的噪聲問題,減少噪聲污染,筆者通過產(chǎn)品實踐,進行不同實施方法的研究,并成功運用到產(chǎn)品上。

      2 壁掛熱泵熱水器的噪聲特點

      壁掛熱泵熱水器的噪聲來源主要包括:壓縮機、軸流風機、配管振動等。在半消聲室,測試儀器用Ⅰ型或Ⅰ型以上的聲級計[1],在環(huán)境溫度20℃條件下,機器穩(wěn)定運行一段時間后開始測試。機器噪聲測試示意圖如圖1所示,為了直觀表示壓縮機等熱泵部件位置,其外面的塑料罩殼在圖上沒有表達,噪聲測試是在有塑料罩殼的情況下進行的。測試儀距離機器表面1m處,分別測試五個點的噪聲(前面、后面、左側(cè)、右側(cè)、上方),取其平均值。改進前壁掛熱泵熱水器噪聲測試值為:單獨運行壓縮機,噪音均值為44.5dB(A),單獨運行軸流風機,噪音均值是48.2dB(A),壁掛熱泵熱水器整機工作噪音均值為48.6dB(A),具體測試數(shù)據(jù)如表1所示。

      軸流風機比壓縮機的噪音值高3.7dB(A),噪聲大但較柔和;壓縮機運行時噪聲值低些,但沉悶有力,穿透力強,會使人心情煩躁;不合理的配管設計,不僅不能減小壓縮機的振動,甚至起到反作用,帶來異常噪聲[2]。壁掛熱泵熱水器一般都掛在衛(wèi)生間的墻上,衛(wèi)生間四周墻體表面是瓷磚,瓷磚對噪聲有反射和疊加作用,會起到放大效果,這是特殊的使用環(huán)境對機器噪聲的影響。

      3 不同降噪設計及其效果測試

      噪聲控制一般從噪聲源、噪聲傳播路徑和噪聲接受者三方面入手。噪聲控制主要以噪聲的聲學控制方法為主,具體技術一般包括隔聲處理、吸聲處理、振動隔離等[3]。壁掛熱泵熱水器降噪主要從噪聲源和噪聲傳播路徑兩方面進行,根據(jù)壓縮機、軸流風機、配管形式和風道結(jié)構(gòu)等不同特點,采用不同方法進行降噪。

      3.1 壓縮機和風機降噪設計

      壓縮機在高速運轉(zhuǎn)過程中,內(nèi)部壓力和溫度急驟變化,產(chǎn)生強力振動,通過底腳和吸、排氣管向外傳遞,為了減少這種振動傳遞,壓縮機底腳都會用橡膠墊來減振。改進前壓縮機底腳減振墊的材料是丁腈橡膠(NBR),邵氏硬度為60度,減振墊單層結(jié)構(gòu)設計,壓縮機運行振動,在機器其他部位振感明顯,有共振現(xiàn)象,減振效果不理想。為了提高減振墊的減振效果,可以從材料和結(jié)構(gòu)方面進行優(yōu)化。在材料方面,橡膠材料在交變應力作用下,由于所特有的粘彈性,形變的變化落后于應力的變化,發(fā)生滯后現(xiàn)象,形變能量(振動)以熱能或其他形式消耗掉。用丁基橡膠(IIR)代替原來的NBR橡膠,其邵氏硬度降到40度,橡膠變得更軟,從而可以通過橡膠更大的形變來耗散振動能量,達到減振效果。在結(jié)構(gòu)方面,減振墊設計成多層階梯狀緩沖結(jié)構(gòu),增強減振效果。通過橡膠墊材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,壓縮機運行振動引起的共振現(xiàn)象基本消除,減振降噪效果明顯。

      另外,壓縮機底腳固定方式按隔振結(jié)構(gòu)來設計,緊固件用限位螺釘,螺桿外徑與減振墊內(nèi)孔留有0.5mm間隙,螺釘鎖緊后,減振墊上方的平墊片與減振墊表面留有1.5mm間隙;壓縮機固定后,減振墊在軸向和徑向都是無約束自由狀態(tài);當壓縮機運行時,底腳減振墊有足夠的空間來吸收壓縮機產(chǎn)生的振動位移,這樣能起到很好的隔振降噪效果。底腳減振墊通過減振和隔振方案的改進,噪音值改善約有1dB(A),效果明顯,對比測試如表2所示。

      軸流風機轉(zhuǎn)速越高,風量越大,在提高蒸發(fā)器換熱效果的同時,噪聲也相應增大;改進前風機轉(zhuǎn)速是1550RPM,風機扇葉的扭曲角度是20度,測得風機噪音值48.2dB(A),風機轉(zhuǎn)速高是噪聲大的主要原因之一。降低轉(zhuǎn)速是改善軸流風機噪聲的一個有效途徑,但是要保證蒸發(fā)器原有的換熱效果,風機風量不能減少。一種方法是增大風機扇葉直徑提高風量,但是由于壁掛熱泵尺寸的限制,風機扇葉直徑不能增加;另一種方法是增大風機扇葉的扭曲角度提高風量,而且扇葉直徑不需要變化。通過不同轉(zhuǎn)速電機與不同扭曲角度扇葉進行效果測試驗證,最終選取一組對降噪效果比較好的參數(shù),即:電機轉(zhuǎn)速為1200RPM,扇葉扭曲角度為23度,風機的風量與原來基本保持不變,噪音值降低約3dB(A),降噪效果明顯,風機優(yōu)化前后噪聲對比測試如表3所示。

      圖1 機器噪聲測試示意圖

      表1 機器改進前噪聲測試

      表2 壓縮機底腳橡膠墊優(yōu)化前后噪聲對比測試

      表3 風機優(yōu)化前后噪聲對比測試

      3.2 管路系統(tǒng)減振設計

      圖2 管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

      圖3 降噪風道結(jié)構(gòu)示意圖

      表4 風道優(yōu)化前后噪聲對比測試

      管路系統(tǒng)由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、毛細管和配管等組成,管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。壓縮機排氣配管內(nèi)冷媒是高溫高壓狀態(tài),振動大,排氣配管設計需要充分利用配管U型彎、減振膠泥等措施來減振。壓縮機的排氣配管與冷凝器之間距離較大,排氣配管設計成了一個長的U型彎,壓縮機的振動在長U型彎上逐漸衰減,當傳遞到冷凝器時,振動能量已經(jīng)衰減一部分;把冷凝器設計成螺旋管盤狀,類似于彈簧結(jié)構(gòu),具有很好的吸振效果,剩余振動能量經(jīng)過冷凝器后基本消除。壓縮機吸氣配管與蒸發(fā)器出口這一段,由于兩者距離較近,壓縮機的振動也容易傳遞到蒸發(fā)器,產(chǎn)生振動噪聲,這段吸氣配管需設計成多個U形彎,來提高減振效果,一般是2到3個U形彎;如果U形彎數(shù)量再增加,不但減振效果沒有明顯提高,反而會增大管路內(nèi)部冷媒流動阻力,帶來其他問題[4]。冷凝器出口與蒸發(fā)器進口之間有一段毛細管,雖然這段管路振動小,但也要考慮振動噪聲問題,如果處理不當,會發(fā)出異常噪聲。為了減小圈與圈之間的振動摩擦,毛細管通常設計成螺旋狀,在加工成螺旋狀前,先在毛細管外表套一層軟的塑料管,用來隔離圈與圈之間的振動摩擦。如果螺旋狀毛細管振動大,可以在螺旋圈上包裹一塊軟的吸振橡膠泥,把振動降到最低;另外,配管振動也可以采用橡膠減振塊等類似處理方法。

      3.3 降噪風道結(jié)構(gòu)設計

      為了方便噪聲處理,將壓縮機、風機等噪聲源設計成一個模塊,置于塑料罩殼內(nèi),塑料罩殼的兩側(cè)設計有進風口和出風口,塑料罩殼內(nèi)部設計成專門降噪風道結(jié)構(gòu)來降低噪聲,降噪風道結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。在進風口處蒸發(fā)器周邊設有內(nèi)消音隔板,蒸發(fā)器進風口正前方設有外消音隔板,內(nèi)、外消音隔板之間保留足夠?qū)挾群烷L度的風道,盡量減小風量損失[5],兩種隔板上都貼有吸音材料。蒸發(fā)器出風口處有導流圈,風機扇葉與導流圈有部分重疊,這樣使扇葉旋轉(zhuǎn)時形成一個圓柱形風道,并能產(chǎn)生足夠的軸向風力,增加出風量;此處風機葉片與導流圈重疊尺寸不宜太多,否則會影響噪聲,在設計時需充分驗證最佳重疊尺寸。在出風口處罩殼增加擾流擋板,其表面貼有吸音材料。

      當風機運轉(zhuǎn)時,在進風口處,風從罩殼右側(cè)面進入,轉(zhuǎn)90°后進入消音通道,然后再轉(zhuǎn)90°進入蒸發(fā)器,噪聲開始衰減。由于蒸發(fā)器的翅片縫隙小,空氣流速突然增大,氣流噪聲變得尖銳,尖銳噪聲在內(nèi)、外隔音板之間來回反射減弱,消音隔板起到很好的吸音和隔音效果。風機傳出噪聲傳到罩殼反射板后被返回,再躍過中間的擾流擋板,最后從罩殼的兩個直角口傳出來;噪聲在風道中迂回曲折,出風路徑軌跡類似于正弦波,起到間接延長風道作用,噪聲在長距離傳播過程中得到有效衰減。通過優(yōu)化風道使噪音值下降約5dB(A),對比測試如表4所示。

      3.4 整機降噪聲效果測試

      測試場所、測試儀器和測試方法等與前面所述相同。整機經(jīng)過降噪處理后平均噪音值為38.3dB(A),未降噪處理的噪音值是48.6dB(A),降噪效果明顯,具體噪音值對比測試如表5所示。

      表5 整機降噪前后效果對比測試

      4 結(jié)語

      通過實踐驗證,首先對壁掛式整體熱泵熱水器的噪聲源進行減振、降噪等處理,如壓縮機減振墊優(yōu)化、風機轉(zhuǎn)速和扇葉扭曲角度調(diào)整、管路系統(tǒng)減振設計等;然后對噪聲傳播路徑進行二次降噪處理,采用降噪風道結(jié)構(gòu),并配合吸聲材料的運用,使噪聲能量在傳播過程中得到有效衰減,進一步降低噪聲。通過上述措施,整機噪音值下降約10dB(A),降噪效果明顯,滿足壁掛熱泵熱水器在室內(nèi)安裝要求,基本消除噪聲對人的影響。由于降噪方式主要采用設計優(yōu)化和降噪風道結(jié)構(gòu)來實現(xiàn),其成本增加較少,經(jīng)濟性好,可以在熱泵產(chǎn)品或其他類似產(chǎn)品的降噪設計中推廣使用。

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